再障的主要病變包括造血功能障礙、止血機制異常及免疫功能降低3方面。
1.造血功能障礙
(1)造血組織病變：①骨髓增生減低：本病全身紅髓總量減少。按橋本的意見，人初生時全身紅髓腔都充滿紅髓。隨著年齡的增長，紅髓呈向心性脂肪變，至中年，紅髓水平上肢至肱骨的上1/3，下肢至股骨上1/3。而本病的長管狀骨多完全變為脂肪髓而呈蠟黃色油凍狀，嚴重病例扁平骨亦變為脂肪髓。有的在脂肪髓中散在一些造血灶(表1)。
曾有人認為有骨髓增生正常或亢進的再障，但在尸檢材料中未發現這種情況。所謂“增生亢進行”再障可能由于骨髓穿刺時抽取增生灶的細胞所造成的錯覺。用核素52Fe、99mTc及111In-C13作骨髓掃描，也證實患者的造血髓總量減少。我們觀察骨髓小粒的切片顯示造血組織減少，脂肪細胞增多，間質水腫，毛細動脈減少肥大細胞增多。最重要的發現為電鏡下間質細胞也呈萎縮病變，此外光鏡下也發現骨小梁減少，成骨細胞與破骨細胞減少。所以再障不僅骨髓造血組織萎縮，骨髓間質及骨皮質也萎縮，是個造血組織及其包繞的骨骼全部萎縮的疾病。②淋巴組織包括脾、淋巴結都萎縮。
(2)無效性紅細胞生成和無效性血紅素合成：慢性再障骨髓雖有代償性增生的部位，此部位可能有無效紅細胞生成，依據是血漿鐵轉換率增加而血中紅細胞鐵利用率減低，糞膽原排泄增加而紅細胞生存時間正常或接近正常，骨髓紅系增生亢進而血中網織紅細胞降低。此外醫科院血研究發現除糞膽原排泄增加外，糞卟啉排泄也增加。糞膽原是血紅素破壞的產物，糞卟啉是血紅素合成的旁產物，這說明再障時血紅素的合成和破壞增多，由于機體紅細胞生成的總量減少，而紅細胞的原卟啉增加，其中所含鐵粒增加，推測紅細胞內有無效性血紅素合成。
(3)鐵代謝的研究：多數患者體內儲鐵增多，血漿鐵含量明顯增高，未飽和鐵結合力顯著降低，部分患者總鐵結合力亦降低；骨髓中細胞外可染鐵含量增多，骨髓中鐵粒幼紅細胞陽性率和幼紅細胞含鐵粒數明顯增高，且可有含鐵粒的成熟紅細胞(正常骨髓中無此發現)；尸檢材料示臟器組織鐵含量亦明顯高于其他病種；用59Fe進行鐵動力學研究發現血漿放射性鐵清除時間(T1/2)延長，骨髓鐵摻入降低而肝脾鐵摻入增加，血循環中成熟紅細胞鐵利用率降低，說明鐵利用不良。此外患者的血清銅增加，紅細胞內銅減少，表明骨髓對銅的利用障礙。
(4)其他：尸檢腎上腺皮質萎縮，臨床測定患者尿中17-酮和α-酮醇基排泄量增加，但ACTH負荷后這些腎上腺皮質激素代謝產物不能相應增加，說明患者腎上腺皮質增加，但貯備能力降低。患者血漿及血細胞的cAMP含量降低，尸檢男性患者的睪丸萎縮，血清睪酮降低，雌二醇增加，這更不利于造血。
2.止血機制異常 部分患者凝血時間延長，凝血活酶生成障礙，少數患者血中出現類肝素抗凝物質。蛋白C抗原含量及抗凝血酶Ⅲ活性增高。血小板質量異常。
3.免疫功能降低 患者的粒細胞減少，其堿性磷酸酶陽性率和陽性指數增加，可能和細胞衰老有關。淋巴細胞絕對值減少，T、B細胞均減少，T8增加，T4/T8減少，甚至倒置，血清總蛋白與白蛋白含量較正常降低，急性型患者IgA降低。此外淋巴因子也有變化．血清中IL2，IL2受體，γ-干擾素及腫瘤壞死因子增加(這些都對骨髓造血有抑制作用)，表明淋巴細胞處于激活狀態，因Tac抗原陽性淋巴細胞增多。此外還有自然殺傷細胞(NK細胞)減少，這些變化的原因表明。患者紅細胞的免疫功能(C3B受體花環產率降低，免疫復合物花環率正常)降低。表明患者的體液及細胞免疫功能都有異常。